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基于矩阵网络综合的滤波器研究设计

束蛟  
【摘要】:随着现代无线通信业务的快速发展以及通信系统标准的迅速演进,各种信息业务的需求也不断增长,同时,受限于有限的可用频谱资源,在多系统、多标准的无线通信环境中,通信系统的兼容性、信道切换的灵活性以及通信器件的抗干能力迎来了更大的挑战。射频滤波器作为无线通信系统中射频前端收发链路的重要核心部件之一,对系统工作性能、结构复杂度以及制造成本均产生非常重要的影响。随着通信系统小型化、轻量化、便携化的发展趋势,对高选择性、结构紧凑、具有灵活的带宽控制的小型化带通滤波器进行研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本论文由滤波器设计的一般方法:耦合矩阵综合法入手,紧跟通信系统中滤波器设计的热点——可重构射频滤波器以及混合耦合滤波器结构,进行了理论研究并进行了加工测试。在本文中,基于缺陷地结构以及平行耦合微带结构,设计并制作了性能增强的恒定带宽频率可调带通滤波器。在此基础上,对缺陷地结构展开了研究,创造了具备可切换固定带宽的恒定带宽频率可调带通滤波器。之后基于耦合矩阵网络综合理论,提出并构建了微带-同轴腔体混合耦合结构双工器。通过在双工器中每个独立信道内使用耦合网络矩阵进行分析,提取出混偶耦合状态下,每个谐振模式的谐振频率及谐振单元之间的耦合系数。本论文的主要创新工作和成果如下:1)根据耦合矩阵网络综合法以及去加载提取法,分析与预测了加载变容二极管的均匀传输线结构单元的频率调谐特性,利用该算法基于耦合网络拓扑结构实现在确定的调谐频率下设计并制作预置性能条件的滤波器或可重构滤波器。2)基于修正(改进)型平行耦合传输线结构,通过对该结构的多模谐振模式进行奇偶模分析,确定在该结构中添加的传输零点位置,利用该结构的传输零点特性,提出并构建了高选择性三极点恒定带宽可调滤波器,实现了更好的滤波器带外抑制效果。3)提出了基于缺陷地结构的性能增强的平行耦合微带可调频率的恒定带宽带通滤波器。并对平行耦合传输线结构中耦合系数的影响因素进行了研究。采用全波电磁仿真法分析并计算了平行耦合传输线处于耦合区域的电场及磁场矢量,探索并讨论了缺陷地结构尺寸对传输线结构LC等效电路中电感和电容数值的影响,基于谐振线间电感性耦合及电容性耦合系数的变化,对总耦合系数K进行有效控制。在此工作的基础上,对缺陷地结构进行进一步的分析,提出了在恒定绝对带宽频率可调滤波器的结构基础上,通过在缺陷地结构中端接变容二极管以实现带宽的开关控制,设计并验证了带宽可切换恒定滤波器的结构及工作特性。4)基于耦合矩阵网络综合算法,提出并创造了一款平面微带-同轴腔体混合耦合结构的滤波器,实现了在混合耦合状态下的三模谐振滤波器设计。通过在微带结构滤波器的上方垂直空间中,利用在金属屏蔽腔体内添加内导体的方法,有效的利用了同轴腔体的空间结构,使得该腔体与平面耦合谐振微带结构产生新的谐振模式。在本滤波器设计中,首先基于耦合矩阵,通过计算决定三个谐振模式处于混合耦合状态下的谐振中心频率。之后在已确定平面双模谐振微带线的结构基础上,控制屏蔽腔金属内导体与平面电路的缝隙以及内导体的半径,调整同轴腔体的谐振频率使其接近于第三个谐振模式的谐振频率。通过平面电路与腔体空间的耦合效应确定带通滤波器的传输零点位置以及相应的传输极点,微调内导体的物理尺寸以获取更好的滤波器性能。基于所设计的混合耦合结构,加工并制作了一个微带-同轴腔体混合结构的双工器。


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